事件相机集成傅里叶光场显微镜实现超快3D成像

高速体积成像是研究动态生物过程不可或缺的工具。传统的基于扫描的3D成像技术，例如共聚焦显微镜、双光子显微镜和光片显微镜，可提供高空间分辨率。

然而，它们的数据采集速度受到光束扫描需求的限制，受到时间分辨率和空间带宽积(SBP)之间固有权衡的影响，以3D视场(FOV)与空间分辨率的比率来衡量。

通过在傅里叶域记录光场信息，傅里叶光场显微镜(LFM)可在整个恢复体积内实现一致的高空间分辨率。然而，传统CMOS相机的同步读出限制构成了瓶颈，将现有的单次3D宽场技术限制在全帧分辨率下100Hz以下。

这一限制阻碍了它们在捕捉可能超过千赫兹(kHz)的超快动态生物过程(例如哺乳动物大脑中的电压信号、血流动态和肌肉组织收缩)中的应用，从而留下了一个尚未弥补的巨大技术空白。

在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，波士顿大学电气与计算机工程系雷田教授领导的团队及其同事开发了一种EventLFM，这是一种新颖的超快单次3D成像技术，它将事件相机集成到傅里叶LFM系统中，以实现kHz速度下的体积成像。

该团队展示了EventLFM以1kHz时间分辨率重建快速移动3D物体复杂动态的能力。通过受控照明实验，他们展示了其以短至1毫秒的脉冲宽度对高频3D闪烁物体进行成像的能力。

此外，该技术还能有效捕获散射组织内的快速动态信号，通过对小鼠脑切片中的真实神经元活动进行成像可以证明这一点，该切片由一系列DMD模式模拟，以kHz速率诱导独特的时空足迹。

该团队还展示了在3D空间内对自由移动的秀丽隐杆线虫中表达GFP的神经元进行成像和跟踪的成功案例，帧速率达到500Hz。深度学习重建网络与EventLFM的集成显著提高了成像质量并增强了3D分辨率。

这项研究为研究人员提供了一种以千赫兹速度观察三维动态生物过程的新工具。

研究人员表示：“我们设计EventLFM将事件相机与傅里叶LFM系统相结合，从而能够以千赫兹的频率对复杂、快速的生物过程进行高3D分辨率成像。”

“需要注意的是，我们实验结果中所展示的千赫兹帧速率是由累积时间决定的，可以在后处理步骤中进行调整，而不会影响数据捕获速度。通过进一步减少累积时间，我们可以增强系统捕获千赫兹以上动态过程的能力，”他们补充道。

“我们重点介绍了EventLFM在散射小鼠脑组织中成像闪烁神经元信号和追踪自由移动秀丽隐杆线虫中GFP标记神经元的能力。鉴于其简单性、超快3D成像能力以及在散射环境中的稳健性，EventLFM有可能成为各种生物医学应用中可视化复杂、动态3D生物现象的宝贵工具，”科学家预测。